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针阀体座面跳动量具的设计,毕业设计
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毕业设计（论文）多波形信号发生器的制作与调试专业（系） 电气工程系 班 级 2010铁路信号订单班 学生姓名 冯启阳 指导老师 谭传武 、谷利成 完成日期 2012.12 湖南铁道职业技术学院电气工程系2013届毕业设计任务书一、课题名称：基于ATmega16的DDS信号发生器设计二、指导老师: 谭传武、谷利成三、设计内容与要求1、课题概述使用AVR单片机设计一个DDS信号发生器，能输出正弦波、方波、锯齿波等任意波形。采用Atmega16单片机作为信号发生器的控制单元，通过模数转换芯片（建议使用AD9854）将数字信号转换为模拟信号，能够产生正弦波、方波、锯齿波。2、设计内容与要求（1）输出正弦波、方波、锯齿波（2）通过键盘选择波形的类型（3）能够通过键盘输入波形频率（4）输出波形幅度为0-5V（5）液晶屏显示波形类型和频率3主要性能指标及参数1）频率为10k-40M2）波形幅度为3-5V（峰峰值）四、设计参考书1、教材信号发生电路原理与实用设计林志琦编著，人民邮电出版社2、教材单片机原理、应用与PROTEUS仿真张靖武编著 电子工业出版社五、设计说明书内容1、封面2、目录3、内容摘要（200字左右，中英文）4、引言5、正文（设计课题、内容与要求，设计方案，原理分析、设计过程及特点）6、设计图纸7、结束语8、附录（图表、材料清单、参考资料）六、设计进程安排第1周： 资料准备与借阅，了解课题思路。第2-3周：设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。第4-6周：进行毕业设计，完成说明书初稿，并搭建自己设计的电路。第7-8周：第一次检查，了解设计完成情况并验证电路是否合理。第9周： 第二次检查设计完成情况，修改电路，焊接并调试，测试波形，并作好毕业答辩准备。第10周： 毕业答辩与综合成绩评定。七、毕业设计答辩及论文要求1 毕业设计答辩要求答辩前一周，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告、硬件电路等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组咨询课题的关键问题，咨询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2毕业设计论文要求文字要求：说明书要求打印，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字，图纸必须打印。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。硬件要求：硬件布线合理简洁，电路设计简洁合理，材料成本控制在要求的范围之内，性能可达到或基本达到设计提出的要求。未制作电路实物的学生不得参与答辩，不予评定毕业设计成绩。湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）摘要信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系和教学实验等领域。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，且特殊波形发生器的价格昂贵。本文以STC89C52单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。信号发器采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波、梯形波及其他任意波形，波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。波形和频率的改变通过软件控制，幅度的改变通过硬件实现。介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。本系统可以产生最高频率798.6HZ的波形。该信号发生器具有体积小、价格低、性能稳定、功能齐全的优点。关键词：信号发生器；单片机；DAC0832Abstract Signal-generator is a kind of signal source in common use, broadly applied at the electronics electric circuit, auto control system and teaching experiment etc. Currently used mostly signal generator is function generator, a special waveform generator is very expensive . This design is usage of the AT89s51 single-chip microcomputer and DAC0832, which can generate triangle wave, square wave, sine wave, the period of wave can be controlled by procedure, at outer circle spare part of the microcomputer, plus independence type keyboard , which can control waves frequency increase or decrease and the choice of wave-form, at the same time LED display frequency size. The output of the microcompute connect DAC0832 to carry on a DA conversion，again pass operation amplifier to put an end exportation wave-form. This design has advantage of simple circuit, tightly packed structure, cheap price, superior function etc.Key words: signal generator; MCU; DAC0832 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）目录绪论前言1信号发生器的背景与意义1本次设计任务2第一章 信号发生器现状及主控芯片原理11国内研究成果312信号发生器的发展趋势413研究中存在的问题4第二章 信号发生器方案设计与选择21 方案的设计与选择622 改变幅度方案623 系统总体方案设计624 工作原理725主控芯片原理8251 单片机的发展及趋势8252 51系列单片机的主要特点9253 单片机特性及基本电路9254 DAC0832模块12第三章 单元电路设计与分析31 主控电路1432 数/模转换电路15321 单片机与DAC0832的连接1533 运算放大电路和低通滤波电路163. 4 串口通信电路17第四章 软件设计4.1系统软件设计18411 主程序18412 中断服务程序1842 软件的总体设计19第五章 系统调试与测试51仿真图2152实物图2253测量仪器23结论24参考文献25致谢26附录1 总电路图27附录2 元器件清单28附录3 源程序29绪论前言在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。信号发生器的背景与意义 信号发生器作为一种通用的信号源发生器仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通讯和雷达技术的发展40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的产生信号仪器发展成定量分析的产生信号仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，这个时期的波形发生器大多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。自从 70 年代微处理器的出现以后，利用各种微处理器、模数转换器和数模转多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的控制力，提高了信号的准确度、精度和变换速度。单片机在我国的应用历史不久,但发展很快.1980年应用软件只有100项.到1985年猛增至15000项.目前我国的单片机应用主要在工业自动化与仪器仪表控制。与控制有关的的仪器表因广泛采用单片机，对单片机的应用产生重大的影响:1简化了仪表面盘,用数字键盘代替了面板开关和旋钮,外表美关。 2增强了仪表的功能和灵活性。3使仪表能对简单的测量数据进行处理以及实现校正和自动诊断。4可用软件代替硬件,实现虚拟检测,这使单片机向智能化.随着单片机技术的迅猛发展, 信号发生器也伴随着它得到迅猛的发展。可以说,单片机技术的发展,为信号发生器提供了广大的空间。单片机的性价比高,具有体积小,耗电省,携带方便,使用环境要求低,以及灵活,通用性好等特点。尽管单片机还存在速度不高,内存容量小,寻址方式不多等特点,但随着,不断的技术改进和本身特点,因而得到迅速发展。通过该设计课题的研究和制作使我对信号发生系统要有一个全面的了解、对信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分的熟练联接与调试，全面的了解常规芯片的使用方法、掌握了简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我在信号处理方面的实际工作能力。本次设计任务本设计的任务是通过STC89C52单片机制作波形信号发生器该设计课题的研究和制作使我对信号发生系统要有一个全面的了解、对信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分的熟练联接与调试，全面的了解常规芯片的使用方法、掌握了简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法。本设计的目标是： 利用单片机程序，产生数字式的正弦波、方波、三角波频率可调的信号。波形要求：正弦波：输出电压值为-5V+5V，初始频率为10HZ，频率最大值为100HZ，频率调节步进值为10HZ。方波：输出电压为-5V+5V，初始频率为200HZ，频率最大值为2KHZ，频率调节步进值为200HZ。三角波：输出电压为-5V+5V，初始频率为50HZ，频率最大值为500HZ，频率调节步进值为500HZ。可通过键盘进行波形和频率的切换。通过LCD显示波形类型及频率大小。设计硬件电路，选择合适的器件，调节好器件的工作状态，保证能输出明显的波形信号，且不失真。第一章 信号发生器现状11国内研究成果胥绍禹在多波形信号发生器一文中设计的电路采用了两块 CMOS 数字集成电路74C04（内含六个反相器）和74C14（内含六个带施密特电路的反相器）。由反相器IC1 的a、b、c 三个并联、电阻W1R1、电容C1、C2、C3 构成振荡器产生三角波，振荡频率计算公式为f11.7RC。可由开关控制频率。此三角波经施密特触发器IC2a整形为方波，再经IC2bf 并联输出（多个门电路并联以提高驱动能力），其电平兼容TTL。 IC1d、IC1ef 构成两级线性放大器，用于将三角波整形为模拟正弦波。当波形选择开关K3 将电阻R2和二极管D1 或D2 接入电路时，输出的方波被整流为正电压或负电压加到三角波发生器的输入端，构成压控振荡器（VCO），从而获得极性不同的锯齿波或脉冲波，脉冲宽度取决于电阻R2 和积分电容的大小。杨潇，刘刚，翟玉文在多功能PWM信号发生器设计中设计的多功能PWM信号发生器以MSP430F169单片机为核心，由时钟和复位、频率及波形设定、LCM 显示器、PWM 信号发生电路组成MSP430F169单片机数模转换模块输出端DAC1输出直流电压可控制PWM占空比；DAC0输出交变电压可产生SPWM信号，且基波频率和波形受单片机控制。MSP430F169单片机小系统电路由MSP430FI69、复位电路、低速时钟电路(32 768 Hz)、高速时钟电路(8MHz)等元件构成MSP430F169片内有6O K程序存储区、2K的数据存储区和多种外围模块，并具有12位数模转换模块DAC12选用内部25 V参考电压源，输入DAC12的数字量从0xO到0xFFF变化时，对应的输出电压量也就从0到2.5 V变化他的设计中使用DAC1通道控制PWM占空比，DAC0通道产生交变基波。李辉，朱林生基于FPGA的三相函数发生器设计设计的信号发生器是基于DDS原理，频率控制字M和相位控制字P分别控制DDS输出波形的频率和相位。相位累加器是整个波形产生的核心，它有一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为波形查找表的地址。波形查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期的波形的数字幅度信息，每个查找的地址对应波形中0360范围的一个相位点。查找表输入的地址信息映射达成波形幅度信号， 同时输出到数模转换器的输入段，DAC输出的模拟信号经过程控滤波器，得到一个频谱纯净的波形。徐仁贵，管运生，李学东在实用的多功能信号发生器用单片机制作信号发生器，除了单片机以外， 包括有查表地址发生器、ROM、DAC 以及放大倒相等环节。该结构的特点是应用可编程计数器设计了一个“ 查表地址发生器” , 其目的是使信号发生器只是在设定信号参数时瞬间占用微处理器, 其余时间微处理器都可以用来处理其它事务。在ROM中储存着所要产生信号(某种曲线)的离散值。为了保证信号质量, 应该使一个周期内所取离散值的点数足够多(特别是在信号频率很低时)。假设这一周期性函数为F(X), 在一个周期内所取点数为N , 则存放在该数据表中的数据依次为:F(0)，F（2/N），F（2*2/N）F（N-1）*2/N）。如果信号由对称的正负半波组成(如正弦波)，则可以只储存正半波的离散值。如果需要产生多种波形的信号, 则不同信号的离散值可以分区（例如以256个单元为一个区）存放。查表地址发生器由时钟、分频器和N位二进制计数器（N8）组成。它用来产生访问ROM中某一数据表的周期性地址信号。该信号为等于或大于8位的二进制数。相邻两个查表地址信号的时间间隔决定了所产生信号的周期, 这一时间间隔由分频器的分频系数决定。12信号发生器的发展趋势随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。 波形发生器的发展趋势是更高取样率，更高分辨率和更大存储量，目前实时带宽超过1GHz的产品比较少，而且分辨率只有8位，不能满足快速发展的移动通信和高速网络的测量要求。与数字存储示波器相比，波形发生器的全面指标存在明显差距，前者的取样率达到20GS/s和带宽6GHz，后者的取样率是4.8GS/s和带宽2GHz。波形发生器首先要赶上数字存储示波器，然后再往前发展，因为在电路构成方面，波形发生器的核心部件是高速数/模转换器，它的工艺潜力还很大，显然缺少的是市场需求。13研究中存在的问题由于信号发生器的自身特点决定了它存在以下两个比较明显的缺点：一是输出信号的杂散比较大，二是输出信号的带宽受到限制。信号发生器输出杂散比较大这是由于信号合成过程中的相位截断误差、DA转换器的截断误差和DA转换器的非线性造成的。随着技术的发展这些问题正在逐步得到解决。如通过增加波形ROM的长度减小相位截断误差，通过增加波形ROM的字长和DA转换器的精度减小DA量化误差。比较新的信号发生器芯片中普遍都采用了14bit的DA转换器。国内外学者在对DDS输出的频谱做了大量的分析以后，总结出了误差的频域分布规律建立了误差模型，在分析信号发生器频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法，可以通过采样的方法降低带内误差功率，可以用随机抖动法提高无杂散动态范围(在DA转换器的低位上加干扰打破DDS输出的周期性，从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化1。为了迸一步提高信号发生器的输出频率，产生了很多信号发生器与其他技术结合的频率合成方法。如当输出信号是高频窄带信号的时候可以用混频滤波的方法扩展信号发生器的输出，也可以利用DDS的频谱特性来产生高频信号，如输出它较高的镜像频率。信号发生器和PLL相结合的方法也是一种有效的方法。这种方法兼顾了两者的优点，既有较高的频率分辨率，又有较高的频谱纯度。虽然信号发生器技术的应用日益广泛，但是目前可以产生多种通信信号的仪器数量很少而且价格非常昂贵，在现代的通信对抗和无线电监测研究中，人们多使用的是任意波形发生器，使用前需将所需波形的数据输入仪器，过程比较繁琐，信号参数改变时需重新产生和输入数据，操作也不很方便，使信号发生器的使用受到了限制。 第二章 信号发生器方案设计与选择21方案的设计与选择方案一：采用模拟电路搭建函数信号发生器，它可以同时产生方波、三角波、正弦波。但是这种模块产生的不能产生任意的波形（例如梯形波），并且频率调节很不方便。方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。方案三：使用集成信号发生器发生芯片，例如AD9854,它可以生成最高几十MHZ的波形。但是该方案也不能产生任意波形（例如梯形波），并且价格昂贵。方案四：采用AT89C51单片机和DAC0832数模转换器生成波形，加上一个低通滤波器，生成的波形比较纯净。它的特点是可产生任意波形，频率容易调节，频率能达到设计的500HZ以上。性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。经比较，方案四既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比高，所以采用该方案.22改变幅度方案方案一：可以将送给DA的数字量乘以一个系数，这样就可以改变DA输出电流的幅度，从而改变输出电压；但是这样做有很严重的问题，单片机在做乘法运算时需要很长的时间，这样的话输出波形的频率就会很低，达不到至少500HZ的要求；并且该方案的输出电压做不到连续可调，当DA的输入数字量比较小时，输出的波形失真就会比较严重。方案二：将输出电压通过一个运算放大器的放大。这样还有个优点是幅度连续可调。经比较，方案二既可满足课程设计的基本要求，并且电路也挺简单。2.3系统总体方案设计本次设计所研究的就是对所需要的某种波形输出对应的数字信号，在通过D/A转换器和单片机部分的转换输出一组连续变化的05V的电压脉冲值。在通过显示部分显示其频率，和波形。在设计时分块来做，按照波形设定，D/A转换，51单片机连接，键盘控制和显示五个模块的设计。最后通过联调仿真，做出电路板成品。从而简化人机交互的问题，具体设计模块如图3-1所示：单片机波形设定信号输出放大电路路路频率设定图3-1 总体设计框图D/A转换显示模块介绍：1.波形设定：对任意波形的手动设定。2.D/A转换：主要选用DAC0832来把数字信号转换为模拟信号。3.单片机部分：最小系统。4.键盘：用按键来控制输出波形的种类和频率。5.显示部分：采用LCD显示波形的类型以及频率。系统要求是便携式低功耗的，所以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗。考虑单片机部分（有最小系统，D/A转换，键盘接口，扩展部分显示等部分）的功耗大小，机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。软件部分则通过KEIL软件，用C51程序语言来实现信号发生器的主要功能，并通过ISP下载程序。2.4工作原理数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。89C51单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要将89C51再配置键盘及、数模转换及波形输出、放大电路等部分，即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成系统框图如下图所示。系统框图89C51是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号幅度的调节。当数字信号电路到达转换电路，将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。波形ROM表是将信号一个周期等间距地分离成64个点，储存在单片机得RON内。具体ROM表是通过MATLAB生成的，例如正弦表，MATLAB生成的程序如下：x=0:2*pi/64:2*pi; y=round(sin(x)*127)+12825主控芯片原理251单片机的发展及趋势在计算机应用控制领域上，如工业控制、汽车、家电等很多控制场合，对控制系统的要求都比较苛刻。例如需要智能高、体积小、成本低、功耗低、抗干扰能力强和可靠性高。不仅传统电气设备无能为力，一般应用性PC机也不能胜任。在这个背景下，单片机的设想才逐渐成型。单片机就是将计算机的几个基本组成部分集成在单一的芯片上，体积相对较小，很好地满足了对控制系统体积的要求。自从1975年美国德克萨斯公司开发生产出第一台单片机TMS-1000以来，单片机经历了4位8位16位32位的发展过程。最有代表性的Intel公司先后推出了三个系列：MCS-48系列8位单片机、MCS-51系列高档8位单片机、MCS-96/98系列16位单片机。很多控制场合并不需要单片机去完成复杂的数学计算，因此单片机在生产工艺上进行了简化，降低了制造成本。同时采用大批量生产，成本进一步降低。从目前市场上来看，其价格一般都在几元到几十元之间。未来单片机技术的发展趋势将以8位单片机主流，并大力发展专用单片机。很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如ADC（模/数转换器）、DAC（数/模转换器）、PWN（脉冲产生器）以及LCD（液晶）驱动器等集成到芯片内部、尽量做到单片化；同时，用户还可以提出要求，由厂家为其量身定做（SoC设计）或自主设计。另外，随着科技发展，程序存储器的容量将进一步扩大。当存储空间足够大时，可嵌入一些软件（如平台软件、虚拟外设软件、系统诊断管理软件等）以提高系统开发效率。252 51系列单片机的主要特点51系列单片机生产厂家非常多，型号也非常丰富。但总的来说，51系列的单片机开发平台都可以用Keil，编程软件都可以用A51和C51。所不同的是，不同厂家和型号的产品，在外设和下载方式上不同。比如Atmel公司的89C51和89S51，89S51兼容89C51，不同的是89C51可以用ISP下载方式，而89S51不能。51系列单片机的特点有以下几个方面：（1） 集成度高、体积小、有很高的可靠性；（2） 控制功能强；（3） 低功耗、低电压，便于生产便携式产品；（4） 外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；（5） 单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。253 单片机特性及基本电路振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，STC89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。复位电路（图2-1）：MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现5。图1-1 复位电路（1）复位功能：复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（如图2-2(a)）和按钮复位(如图2-2(b)两种方式。图1-2 复位电路的2种接法（2）单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表2-2。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 说明：表中符号*为随机状态；表1-2 寄存器复位后状态表特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ABPSWSPDPLDPHP0P3IPIE00H00H00H07H00H00HFFH*00000B0*00000BTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H00H00H00H不定00H0*BPSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组； SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；Po-P3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出 。IP00000B，表明各个中断源处于低优先级； IE000000B，表明各个中断均被关断； 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。晶振电路（图2-3）：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。图1-3 晶振电路254 DAC0832模块(1) D7D0：8位的数据输入端，D7为最高位。(2) IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。(3) IOUT2：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。(4) RFB：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5) VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。(6) Vcc：芯片供电电压，范围为(+5 15)V。(7) AGND：模拟量地，即模拟电路接地端。(8) DGND：数字量地。 当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。一般情况下为了简化接口电路，可以把和直接接地，使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。 特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式。制作低频信号发生器有许多方案：主要有单缓冲方式，双缓冲方式和直通方式。单缓冲方式具有适用于只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出的情形的优点，但是电路线路连接比较简单。而双缓冲方式适用于在需要同时输出几路模拟信号的场合，每一路模拟量输出需一片DAC0832芯片，构成多个DAC0832同步输出电路，程序简单化，但是电路线路连接比较复杂。根据以上分析，我们的课题选择了单缓冲方式使用方便，程序简单，易操作。DAC0832主要是用于波形的数据的传送，是本题目电路中的主要芯片D/A转换器的性能指标：1.分辨率：输出模拟电压应能区分02n-1共2n个输入数字量。表示方法：（1）用输入二进制数的位数表示；如8位。（2) 用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。指最小输出电压和最大输出电压之比。DAC0808的分辨率为1/256。2精度：DAC实际输出电压与理想的输出电压的偏差。 DAC0808的最大满刻度偏差为+1LSB 。3线性度：DAC实际传输特性曲线与理想的传输特性曲线的偏差。 DAC0808的最大误差为+0.19% 。4温度灵敏度：在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。5转换速度：用完成一次转换所需的时间建立时间Tset来衡量。建立时间：输入信号从开始变化到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围以内的时间。输入信号由全0变为全1所需时间最长。当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。式中为转换时间 ，为建立时间，输出最大电压值，为运放输出转换速率。第三章 单元电路设计与分析3.1主控电路设计中主要采用STC89C5型单片机，它具有如下优点：（1）拥有完善的外部扩展总线，通过这些总线可方便地扩展外围单元、外围接口等。（2）该单片机内部拥有4K字节的FLASH ROM程序存储器空间和256字节的RAM数据存储空间，完全可以满足程序的要求。由于该芯片可电擦写，故可重复使用。如果更改程序内容，可将芯片拿下重新烧写。（3）该单片机与工业标准的MCS51型机的指令集和输出引脚兼容。中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。在波形发生器中，用两个开光直接与外部中断0和外部中断1的管脚相连，其中S1开光用来改变波形，S2开光用来改变频率。在程序主函数中，我们写了个死循环一直输出一个默认的波形，当S1或S2按下又抬起时，程序会暂时跳出死循环，进入中断处理程序，从而对波形和频率进行改变。时钟电路。由于频率较大时，三角波、正弦波、方波等波中每一点延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形，该电路用11.0592MHz晶振。 主控电路图3.2 数/模转换电路由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，就要把数字信号转换成模拟信号，所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有8位分辨率的数模转换器DAC0832。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。但实际上，DAC0832输出的电量也不是真正能连续可调，而是以其绝对分辨率为单位增减，是准模拟量的输出。DAC0832是电流型输出，在应用时外接运放使之成为电压型输出。根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。本设计选用直通方式。DAC0832的数据口和单片机的P0口相连。CSDA：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；数模转换电路3.2.1 单片机与DAC0832的连接DAC0832同CPU的接口如图3-6所示.DAC0832作为微处理器的一个端口，用地址92H的选通作为CS和WR1的控制信号，微处理器的写信号直接来控制XFER和WR2。图3-6单片机与DAC0832的连接3.3运算放大电路和低通滤波电路LM324的5管脚与DAC0832的（IOUT2）12管脚相连，LM324的6管脚与DAC0832的（IOUT1）11管脚相连，LM324的7管脚与DAC0832的REF（9）管脚相连.第一级运算放大器的作用是将DAC0832输出的电流信号转化为电压信号V1，第二级运算放大器的作用是将V1通过反向放大电路-（R2/R1）倍。题目要求输出的电压在0-5V可调，而V1的电压大约是5V，所以R1选择5K的电阻，R2选择10K的电位器，这样最大的输出电压为5*（10/2）=10，最小电压为0，可以实现题目要求的0-5V。在第二个运算放大器的输出端连了一个低通滤波器。如果不加低通滤波器，也能够生成波形，但是产生的信号中毛刺很多，加一个低通滤波器不仅起到的滤波的作用，还起到了平滑的作用。低通滤波器的截止频率F=1/(2*pi*R3*C6),这里我们选择R3 为100欧姆电阻，C6为104电容，截止频率F=16KHZ。实验表明，此时的输出波形效果不错。3. 4 串口通信电路通用异步收发器(UART)是一种串行接口，一般微处理器中都包含这种外设接口。异步串行接口提供了一种简单的途径，使两个器件无需共享同一个时钟信号就能进行通信。如果再加入一个合适的电平转换器MAX232，串口就能能用在RS232和RS485等网络中实现通信，或者与计算机的COM端口连接。串口只需两根信号线(RX和TX)即可实现，而且只要两端器件都采用同样的位格式和波特率，那么它们无需其它任何对方的信息就可以成功传输数据。串口通信电路图第四章 软件设计4.1系统软件设计软件设计上，根据功能分了几个模块编程。模块主要有：主程序模块、外部中断0模块，外部中断1模块。4.11主程序：主程序先是进行一些初始化的工作，然后根据波形标志a,b,c,d,e的值进入相应的while 循环。这样写的好处是输出的波形频率可以790多HZ。在while循环中，单片机根据地址标志位不停低查表，然后把查得的值赋给DAC0832的数据口，然后地址标志位加一，并判断地址标志位是否等于64，如果是就置0再往下执行，如果不是直接往下执行。然后根据频率标志位进行相应的延时。主程序流程图412中断服务程序：本程序中两个外部中断分别起到了控制波形和频率的作用。在程序中还加入了消抖部分。4.2 软件的总体设计应用系统中的应用软件是根据系统功能要求而设计的，能可靠地实现系统的各种功能。一个优秀的应用系统的应具有下列特点：(1)根据软件功能要求，将系统软件分成若干个独立的部分。设计出软件的总体结构，使其结构清晰、流程合理。(2)要树立结构化程序设计风格，各功能程序模块化、子程序化。既便于调试、链接，又便于移植、修改。(3)建立正确的数学模型。即根据功能要求，描述各个输入和输出变量之间的数学关系，它是关系到系统好坏的重要因素。(4)为提高软件设计的总体效率，以简明、直观法对任务进行描述，在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。(5)要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时数器、中断资源等。(6)注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。(7)加强软件抗干扰设计，它是提高系统应用可靠性的有利措施。本系统的软件包括以下几个程序模块：(1)初始化程序；(2)显示程序；(3)键盘扫描程序与处理程序；(4)定时器0服务程序；(5)正弦波发生程序及其服务程序；(6)三角波发生程序；(7)方波发生程序；第五章 系统调试与测试调试工作可分硬件调试和软件调试两个部分，调试方法如下：首先，硬件调试主要是先制作硬件电路板，然后用万用表等工具对电路检查，最后应用程序进行功能调试。硬件调试比较费时，需要细心和耐心，也需要熟练掌握电路原理。然后，用仿真软件进行软件调试，比如单片机C51编辑软件KEIL，该软件提供一个集成开发环境uVision，它包括C编辑器、宏编辑器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器。通过编译、运行，可以检查程序错误。但应用此方法，仍需要十分了解所使用元器件的工作方式和管脚连接方式。在确定编程思路以后将各部分的程序及各子程序编好，使用 keil 进行编译，根据提示的错误对程序进行修改。除了语法差错和逻辑差错外，当确认程序没问题时，通过直接加载到 protues 软件电路中进行仿真。5.1仿真图图5-1为50HZ的三角波，图5-2为200HZ的方波，图5-3为10HZ的正弦波。图5-1 50HZ的三角波图5-2 200HZ的方波图5-3 10HZ的正弦波5.2实物图图5-4为150HZ的三角波；图5-5为50HZ的正弦波；图5-6为100HZ的方波图5-4 三角波图5-5 正弦波图5-6 方波5.3测量仪器示波器 直流稳压电源万用表结论基于单片机的智能信号发生器设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计全过程。关键是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥单片机知识。特别是这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。通过单片机控制一个模数转换器 DAC0832 产生所需要的电流，然后使用运算放大器 LM324可以将其电流输出线性地转换成电压输出，通过程序的控制，可以产生一系列有规律的波形。这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。此设计方案硬件较为简单，主要是由单片机跟 DAC08322 个芯片构成，连线也较简便。键盘电路用的独立未编码结构，三个键分别控制波形及频率。软件程序方面较为复杂一点，此方案主要是靠程序的控制，主要由3个波形产生的子程序加上有承上启下作用的主程序构成，程序思路还是比较清晰。其中正弦波和三角波的程序较为繁琐，因为是通过查表指令产生的，所以要列出个含有较多字符的表格。当然还是存在不足的地方，比如不能实现任意频率与幅度的可调，显示电路跟键盘电路有待进一步改进。参考文献：1 郭天翔.新概念51单片机C语言教程 入门、提高、开发、拓展全.北京.电子工业出版社 2009.12 童诗白.模拟电路技术基础M.北京：高等教育出版社，2000.171202.3 教材信号发生电路原理与实用设计林志琦编著，人民邮电出版社4 教材单片机原理、应用与PROTEUS仿真张靖武编著 电子工业出版社致谢持续紧张和忙碌两个多月的毕业设计终于快完了，在此我特别感谢带我的指导老师-谭传武老师以及谷利成老师，在这次毕业设计中对我的的耐心指导和帮助。还有各位同学在此期间对我的帮助和鼓励，使我在设计的时候信心十足。感谢学校给我门这次毕业设计的机会和其它的帮助。还有一同讨论、帮助我设计的同学表示感谢。在这次毕业设计中，老师的教导和同学们的协作，使我受益匪浅。感谢几位好友在我对单片机原理及电路知识不懂的情况下耐心帮助以及指点。没有老师和他们的帮助，对于我一个对许多电路知识都不懂人来说要想在短短的几个月的时间里完成毕业论文是很困难的事情。所以，谢谢指导老师和几位好友。附录1 总电路图28湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）附录2 元器件清单器件名称规格数量晶振12M1单片机STC89C521电阻15K2电阻7.5K2排阻1K1电容30P2LM3241DAC08321电容10UF1按键4附录3 源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit csda=P22;sbit wr=P21;sbit s1=P32;sbit s2=P33;uchar k=0,p=0,delay=0;uchar bxxz=0;pinglv=0;uchar a=1,b=0,c=0,d=0,e=0;uchar code sin64=135,145,158,167,176,188,199,209,218,226,234,240,245,249,252,254,254,253,251,247,243,237,230,222,213,204,193,182,170,158,146,133,121,108,96,84,72,61,50,41,32,24,17,11,7,3,1,0,0,2,5,9,14,20,28,36,45,55,66,78,90,102,114,128;uchar code juxing64=255,255,255,
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